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(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽(yáng),550081)
立洲水電站調(diào)壓井深厚覆蓋層邊坡治理設(shè)計(jì)
韓純杰,賀雙喜,趙繼勇
(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴陽(yáng),550081)
立洲水電站位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi),電站采用混合式開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,電站裝機(jī)容量355MW,樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、右岸地下長(zhǎng)引水隧洞及右岸地面發(fā)電廠房組成,引水隧洞長(zhǎng)16.7km,調(diào)壓井高138.50m,內(nèi)徑21m,頂部開(kāi)挖直徑達(dá)到27.4m。由于地形地質(zhì)條件及廠房位置制約,調(diào)壓井位于廠房西側(cè)山脊上,南側(cè)為龔家溝,北東及東側(cè)為木里河,地形均自然坡度25°~40°,地質(zhì)勘查顯示,調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚,最大厚度達(dá)20m~38m,且組成物質(zhì)復(fù)雜。施工階段從開(kāi)挖支護(hù)方案、邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析、施工布置、征地范圍、環(huán)境保護(hù)及水土保持、工程不可遇見(jiàn)因素等方面綜合比較,采取“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案,開(kāi)挖坡比達(dá)1∶0.75,邊坡開(kāi)挖高度由130m降至55m,極大程度的減少了調(diào)壓井邊坡開(kāi)挖和處理范圍,保證了調(diào)壓井邊坡穩(wěn)定,確保了后期調(diào)壓井井筒施工安全,可為類(lèi)似深厚覆蓋層調(diào)壓井邊坡處理提供參考。
深厚覆蓋層 邊坡治理設(shè)計(jì) 調(diào)壓井 立洲水電站
立洲水電站系木里河干流水電規(guī)劃“一庫(kù)六級(jí)”的第六個(gè)梯級(jí)。水庫(kù)正常蓄水位2088.0m,死水位2068.00m,校核洪水位2090.38m,具有不完全年調(diào)節(jié)性能;最大壩高132.0m,電站裝機(jī)容量355MW,開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。
立洲水電站引水隧洞長(zhǎng)16.7km,調(diào)壓井布置在引水隧洞末端,位于廠房西側(cè)山脊上,南側(cè)為龔家溝,北東及東側(cè)為木里河;調(diào)壓井區(qū)覆蓋層分布較廣,靠龔家溝一帶偶見(jiàn)基巖露頭。覆蓋層為殘坡積(Qedl)碎石土,厚度20m~38m。下伏基巖為三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組(T3q)薄層、極薄層板巖、砂質(zhì)板巖夾砂巖。
由于立洲電站引水發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較大,調(diào)壓井施工處于施工關(guān)鍵線路上,調(diào)壓井邊坡開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)屬于調(diào)壓井的重要組成部分,因此有必要深入研究其治理措施,選擇安全可靠的設(shè)計(jì)方案。
2.1 邊坡分級(jí)和設(shè)計(jì)安全系數(shù)
結(jié)合立洲水電站主要建筑物級(jí)別劃分情況,調(diào)壓井邊坡按照2級(jí)樞紐工程區(qū)邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì),各工況控制安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:持久工況(天然)安全系數(shù)K=1.20,短暫工況(暴雨)安全系數(shù)K=1.10,偶然工況(地震)安全系數(shù)K=1.05。
2.2 物理力學(xué)參數(shù)
根據(jù)前期地質(zhì)勘查資料和開(kāi)挖揭露地質(zhì)情況,調(diào)壓井邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)表1。
表1 調(diào)壓井邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)建議值
結(jié)合調(diào)壓井邊坡位置和地形地質(zhì)條件,初步擬定“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”治理和“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理兩個(gè)方案并進(jìn)行比較。通過(guò)開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定分析、施工條件、征地范圍、環(huán)境保護(hù)等方面綜合對(duì)比,選擇較優(yōu)的治理方案。
3.1 “強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”治理方案
從井筒頂高程2150m開(kāi)挖至高程2170.0m,巖石開(kāi)挖邊坡為1∶0.5,每隔15m設(shè)一級(jí)馬道;高程2170m開(kāi)挖至高程2200m,開(kāi)挖邊坡為1∶1;2200.0m以上覆蓋層采用1∶1.5開(kāi)挖邊坡,每隔15m設(shè)一級(jí)馬道,開(kāi)挖至地面線。開(kāi)挖邊坡最高約130m。開(kāi)挖邊坡支護(hù)措施:基巖邊坡采用噴錨支護(hù)措施,系統(tǒng)錨桿Φ25@3m×3m,L=6m,梅花型布置。覆蓋層邊坡采用混凝土框架護(hù)坡+6m錨桿+框格梁草皮支護(hù)。經(jīng)復(fù)核,邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表2。
表2 邊坡計(jì)算成果
3.2 “弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案
首先確保施工期臨時(shí)穩(wěn)定情況下,盡量選擇較陡開(kāi)挖坡比,經(jīng)過(guò)初步分析,開(kāi)挖坡比采用1∶0.75,從井筒頂高程2155m起坡,在高程2170.00m、2190.00m設(shè)置3m寬?cǎi)R道,開(kāi)挖坡高約55m,開(kāi)挖邊坡外5m處設(shè)置一道截水溝。邊坡主要采用抗滑樁、錨索、錨桿、混凝土貼坡進(jìn)行加固處理。邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表3、表4。
表3 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果(開(kāi)挖后未支護(hù))
表4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果(開(kāi)挖支護(hù)完成)
3.3 治理方案選擇
3.3.1 方案可行性和合理性分析
“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案和“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案開(kāi)挖范圍較大,最大坡高超過(guò)130m,施工期和運(yùn)行期不可預(yù)見(jiàn)因素較多,“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案開(kāi)挖范圍小,最大坡高55m,技術(shù)可行性和合理性較優(yōu)。
3.3.2 施工方面
“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案施工范圍較大,邊坡高而陡,施工難度大,工期較長(zhǎng);“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案施工范圍較為集中,施工難度相對(duì)較小,工期較短。
3.3.3 征地、環(huán)保及水土保持方面
“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案征地范圍約3萬(wàn)m2,“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案征地范圍約0.7萬(wàn)m2,明顯減少。“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案大面積開(kāi)挖將對(duì)植被和環(huán)境造成嚴(yán)重破壞,“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案明顯減少了開(kāi)挖范圍、棄渣量,對(duì)環(huán)境保護(hù)及水土保持明顯有利,簡(jiǎn)化了環(huán)境保護(hù)及水土保持工程治理措施。
綜上所述,由于調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚,物質(zhì)組成復(fù)雜,“強(qiáng)卸載+弱支護(hù)”方案施工期、運(yùn)行期不可預(yù)見(jiàn)因素多,安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大,對(duì)環(huán)境破壞影響較大,相應(yīng)可能增加的工程措施較多。因此推薦“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案。
3.4 三維有限元計(jì)算復(fù)核
為進(jìn)一步驗(yàn)證邊坡治理方案的合理性,采用三維有限元法對(duì)“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案進(jìn)行計(jì)算分析,有限元模型鉛直向下取至高程1810m,底板以下基巖厚度約200m,鉛直向上延伸至地表;以調(diào)壓井圓心為原點(diǎn),沿引水隧洞方向向上游取210m,向下游取250m,垂直引水隧洞方向左右兩側(cè)各取140m。X軸:沿引水隧洞方向(上下游側(cè)),方位N56.2°W;Y軸:垂直引水隧洞方向(左右側(cè)),方位N3°E;Z軸:鉛直向。見(jiàn)圖1、圖2。
圖1 調(diào)壓井三維有限元整體網(wǎng)格
圖2 調(diào)壓井邊坡有限元網(wǎng)格
通過(guò)三維有限元分析計(jì)算,天然工況下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),施工期和運(yùn)行期高程2155m平臺(tái)邊坡和井筒邊坡(高程2146m以上)的點(diǎn)安全系數(shù)均大于1,且有一定富余,見(jiàn)圖3、圖4、圖5。另外,施工期、運(yùn)行期和地震工況的塑性區(qū)分布范圍都較小,因此,在目前設(shè)計(jì)的支護(hù)條件下,邊坡的穩(wěn)定是能夠得到保證的。
圖3 施工工況點(diǎn)安全系數(shù)
圖4 運(yùn)行工況點(diǎn)安全系數(shù)
圖5 地震工況點(diǎn)安全系數(shù)
3.5 邊坡治理設(shè)計(jì)
根據(jù)邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果,綜合考慮地表截排水、削坡減載、抗滑樁、錨索等措施對(duì)其進(jìn)行分區(qū)綜合治理。具體分區(qū)支護(hù)措施為(見(jiàn)圖6):
圖6 “弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”方案計(jì)算剖面及分區(qū)支護(hù)示意
(1)高程2215m設(shè)置9根抗滑樁,間距7m,抗滑樁斷面2.5m×3.5m,每根樁頂設(shè)置2根1000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索,俯角10°;
(2)A區(qū):C20混凝土框格梁,間排距2.5m,截面40cm×40cm;Φ28自鉆式節(jié)點(diǎn)錨桿,L=9m,間排距2.5m,外露0.3m,垂直坡面布置;掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm;噴混凝土C20,厚10cm;1000kN預(yù)應(yīng)力錨索,間排距5m,φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m;
(3)B區(qū):C20混凝土護(hù)坡,厚度40cm,錨桿Φ25,L=4.5m,Φ28、L=9.0m,間排距3m,外露0.3m,梅花型交錯(cuò)布置。基巖邊坡采用砂漿錨桿(覆蓋層邊坡采用自鉆式錨桿);1000kN預(yù)應(yīng)力錨索,間排距3m~5m,φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m;
(4)C區(qū):C20混凝土護(hù)坡,厚50cm;錨桿Φ25、L=4.5m,Φ28、L=9.0m,間排距3m,外露0.3m,梅花型交錯(cuò)布置?;鶐r邊坡采用砂漿錨桿(覆蓋層邊坡采用自鉆式錨桿);φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m;
(5)D區(qū):C20混凝土框格梁,間排距2.5m,截面40cm×40cm;Φ25自鉆式節(jié)點(diǎn)錨桿,L=4.5m,間排距2.5m,外露0.3m,垂直坡面布置;掛鋼筋網(wǎng)φ8@20cm×20cm,噴混凝土C20,厚10cm;φ50mm排水孔,L=5m,仰角10°,梅花型布置,與錨桿間隔布置,間排距3m。
3.6 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)
3.6.1 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)
為掌握邊坡變形趨勢(shì),及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,預(yù)防事故發(fā)生,調(diào)壓井邊坡布置了變形和支護(hù)監(jiān)測(cè)儀器。其中布設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)6套、測(cè)斜孔3套,1000kN的錨索測(cè)力計(jì)5套、土壓力計(jì)6支、鋼筋計(jì)10支、錨桿測(cè)力計(jì)3支。通過(guò)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并分析,可以驗(yàn)證邊坡治理方案的合理性,及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù),保證施工安全,為工程優(yōu)化設(shè)計(jì)和永久安全運(yùn)行提供支撐數(shù)據(jù)。
3.6.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
截至目前,調(diào)壓井邊坡各類(lèi)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)值變化趨勢(shì)穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)明顯異常;當(dāng)前,各測(cè)縫計(jì)(裂縫計(jì))實(shí)測(cè)開(kāi)合度介于0.01mm~0.04mm,各部位襯砌與基巖接觸良好,未發(fā)現(xiàn)有明顯的張開(kāi)現(xiàn)象;邊坡抗滑樁內(nèi)埋設(shè)的鋼筋計(jì)實(shí)測(cè)應(yīng)力介于12.21kN~30.99kN,結(jié)構(gòu)應(yīng)力均較小且發(fā)展趨勢(shì)平緩;邊坡抗滑樁內(nèi)埋設(shè)的土壓力計(jì)當(dāng)前實(shí)測(cè)壓力介于0.35MPa~0.13MPa,近期壓力變化過(guò)程線發(fā)展趨勢(shì)穩(wěn)定;錨索測(cè)力計(jì)大部分荷載損失率均在10%以內(nèi),處于正常衰減范圍之內(nèi)。
綜上,調(diào)壓井邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
立洲電站調(diào)壓井邊坡覆蓋層較厚,組成物質(zhì)復(fù)雜。施工階段從開(kāi)挖支護(hù)方案、邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析、施工布置、征地范圍、環(huán)境保護(hù)及水土保持、工程不可遇見(jiàn)因素等方面綜合比較,采取“弱卸載+強(qiáng)支護(hù)”治理方案,開(kāi)挖坡比達(dá)1∶0.75,邊坡開(kāi)挖高度由130m降至55m,極大程度的減少了調(diào)壓井邊坡開(kāi)挖和處理范圍,保證了調(diào)壓井邊坡施工期穩(wěn)定,為后期井筒施工創(chuàng)造了有利條件。
TV554.4∶TV732.5
B
2095-1809(2017)05-0084-04
韓純杰(1981-),男,云南昆明人,高級(jí)工程師,主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。
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